DE1872770U - Gasgefuellte elektrische gluehlampe. - Google Patents

Description

A, 597199*17.9.62

General Electric Company, Schenectady, N.Y. (V.St.A.)

"Gasgefüllte elektrische Glühlampe"

Die Erfindung betrifft elektrische Glühlampen mit einem Wolframleuehtkörper in einem abgeschlossenen, lichtdurchlässigen Lampengefäß, einer Gasfüllung und einem Jodzusatz zur Gasfüllung. Diese Lampen werden bei hohen Temperaturen und mit einer hohen Lichtausbeute betrieben und erreichen eine lange Lebensdauer, während der das Lampengefäß praktisch frei von jeder Schwärzung bleibt.

Die Schwärzung der Gefäßwand bei gewöhnlichen Glühlampen ist eine Folge der Verdampfung des Leuchtkörpermaterials, die mit der Leuchtkörpertemperatur ansteigt. Obgleich die Lichtausbeute des Leuchtkörpers bei wachsender Temperatur sehr schnell ansteigt, ist der Betriebstemperatur des Leuchtkörpers, bei der er noch eine ausreichende Lebensdauer hat, durch die Schwärzung der Gefäßwand in der Praxis eine Grenze gesetzt. Bei verhältnismäßig großen Lampenkolben kann die Schwärzung durch die Verteilung auf eine größere Fläche wesentlich herabgesetzt werden, ebenso durch die Füllung des Gefäßes mit einem inerten Gas wie Stickstoff, Argon, Krypton, Xenon usw., das der Verdampfung des Leuentkörpermaterials entgegenwirkt.

In den Glühlampen mit Jodkreislauf tritt praktisch keine Schwärzung der Gefäßwand auf. Sie haben verhältnismäßig kleine Lampengefäße von gedrungener Form und weisen einen Zusatz von Joddampf zu ihrer Gasfüllung auf. Das Jod verbindet sich mit dem vom Leuchtkörper verdampften und zur Gefäßwand wand/ernden Wolfram zu Wolframjodid, das wieder in die Nähe des heißen Wolframleuchtkörpers gelangt und sieh dort zersetzt, so daß das Wolfram auf den Leuchtkörper zurückgebracht wird. Dieser Wolfram-

V-

Jod-Kreislauf findet während der gesamten Lebensdauer der Lampe statt, die hunderte oder tausende von Stunden währt, und hält die Gefäßwand frei von Schwärzung.

Eine Voraussetzung des Jod-Kreislaufes ist, daß die Lampe keine Verunreinigungen enthält. Das im Wolframleuchtkörper meist vorhandene Eisen läßt sich bis auf einen ganz geringen Rest von etwa 0,002 Gewichtsprozent dadurch beseitigen, daß derWolframdraht mit geeigneten Säuren geätzt wird. Sonst würde das Eisen im Betrieb verdampfen, sich auf der Gefäßwand niederschlagen und sich mit dem Jod zu Eisenjodid verbinden und dadurch den Wolfram-Jod-Kreislauf stören.

Wenn das Lampengefäß sorgfältig ausgeheizt und evakuiert wird und die Metallteile einschließlich des Leuchtkörpers entgast werden, kann der Jodkreislauf ungestört ablaufen. Die Entfernung von Verunreinigungen wie Sauerstoff und Wasser- ' dampf erfordern jedoch eine sorgfältige und langwierige Behandlung der Lampe, besonders dann, wenn es sich um besonders große oder besonders lange Lampen, die beispielsweise mehr als dreimal so lang wie ihr Durchmesser sind, handelt. Sauerstoff und Wasserdampf werden aus dem Lampengefäß oder anderen Lampenteilen frei oder entstehen durch chemische Verbindungen zwischen versehentlich in die Lampe eingebrachten Oxyden und Wasserstoff, der mit der Gasfüllung oder durch die Brennerflammen beim Einschmelzen in das Lampengefäß gelangt.

Das erwähnte Verfahren ist kostspielig, und das Ziel der Neuerung ist daher eine einfacher herzustellende Lampe, die frei von Sauerstoff und Wasserdampf ist.

Bei einer gasgefüllten elektrischen Glühlampe oder Hochdruckglühlampe mit einem Wolframleuchtkörper in einem abgeschlossenen, lichtdurchlässigen Lampengefäß, das vorzugsweise aus Quarz besteht, und einem Jodzusatz zur Gasfüllung besteht die Neuerung darin, daß sich im Innern des Lampengefäßes Kohlenstoff an wenigstens einer solchen Stelle im Abstand vom Leuchtkörper oder an seinen verhältnismäßig kühleren Enden befindet, daß der Kohlenstoff unter Betriebsbedingungen genügend heiß wird, um mit Sauerstoff und Wasserdampf chemisch zu reagieren. Zu diesem Zweck ist eine'kleine Menge festen Kohlenstoffes ausreichend.

Der Kohlenstoff befindet sich vorzugsweise an einer solchen Stelle, daß er unter Betriebsbedingungen auf etwa 1000 C erhitzt wird. Jedoch reagiert der Kohlenstoff auch schon bei einer Temperatur von 5OO C mit dem im Lampengefäß als Verunreinigung vorhandenen Sauerstoff und bildet Kohlenmonoxyd. Es hat sich gezeigt, daß die Anwesenheit kleiner Mengen von Kohlenmonoxyd im Lampengefäß unschädlich ist.

Es muß sorgfältig vermieden werden, daß Kohlenstoff auf den heißen Wolframleuchtkörper gelangt oder als Film die Innenseite der Gefäßwand überzieht, da sonst der Leuchtkörper seine Formbeständigkeit verlieren und durchhängen und der Jod-Kreislauf unterbrochen würde. Der Kohlenstoff kann jedoch auf den Stromzuführungsdrähten im Lampengefäß, auf den verhältnismäßig kühleren Enden des Leuchtkörpers, deren Temperatur unter etwa 1500 C liegt oder auf Haltern, die den Leuchtkörper zusätzlich zu den Stromzuführungen stützen, angebracht seia. Der Kohlenstoff kann also, wenn er richtig angewandt wird, von hohem Nutzen sein; bei unsachgemäßer Anwendung ist er jedoch sehr schädlich.

In einer Glühlampe, die keinen Joddampf enthält, führt die Anwesenheit von Wasser zu dem bekannten Wasser-Kreislauf. Das Wasser reagiert mit dem heißen WoIfraumleuchtkörper, und es bilden sich Wolframoxyd- und Wasserstoff. Das Wolframoxyd verdampft vom Leuchtkörper und schlägt sich zum Teil auf der Gefäßwand nieder, wo es sich häuft und als Schwärzung sichtbar wird. Zum Teil zersetzt sich das Wolframoxyd auch an benachbarten Windungen der Leuchtkörperwendel, und der freigewordene Sauerstoff reagiert von neuem mit dem Leuchtkorpermaterial. Der bei der Reaktion von Wasser mit dem heißen Leuchtkorpermaterial freiwerdende Wasserstoff dissoziiert von molekularem zu atomarem Wasserstoff. Der sehr aggressive atomare Wasserstoff gelangt zur Gefäßwand, reduziert das im Quarz- oder Glasgefäß vorhandene Siliziumdioxyd und führt den dabei freigewordenen Sauerstoff zurück zum Leuchtkörper. Es entsteht also durch die Anwesenheit von Wasserstoff in der Lampe ein Kreislauf, durch den fortlaufend Sauerstoff an den Leuchtkörper herangeführt wird.

Dieser Kreislauf kann nur vermieden werden, indem aller Wasserstoff aus der Gasfüllung der Lampe entfernt wird. Dazu gibt es verschiedene Möglichkeiten, insbe-

V-

sondere die Verwendung von Getterstoffen wie Tantal u.a. Jedoch können solche Getterstoffe nicht in Larapen mit Jodzusatz verwendet werden., da diese Stoffe mit Jod reagieren wurden.

Bei Larapen mit Jodzusatz ist die Situation jedoch eine andere, da freier Wasserstoff vom Jod als Jodwasserstoff gebunden wird. Der Jodwasserstoff kann sich zwar am heißen Leuchtkörper wieder zersetzen; aber der freie atomare Wasserstoff wird, sobald er die heiße Zone in der Nähe des Leuchtkörpers verläßt, wieder als Jodwasserstoff gebunden, bevor er zur Gefäßwand gelangen, diese angreifen und Sauerstoff frei machen kann, der den heißen Wolframleuchtkörper angreifen kann. Solange die im Lampengefäß vorhandene Jodmenge größer ist als die Wasserstoffmenge, gibt es daher keinen freien atomaren Wasserstoff in der Lampe.

Wenn Spuren von Sauerstoff oder Wasser in der Lampe vorhanden sind, bildet sich - wie oben bei der Beschreibung des Wasser-Kreislaufes ausgeführt - Wolframoxyd, das sich auf der Gefäßwand niederschlägt. Bei einer Lampe mit einem Jodzusatz zur Gasfüllung reagiert der Joddampf mit dem Wolframoxyd, und es entsteht WoIframjodid und freier Sauerstoff. Das Wolframjodid zersetzt sich am Leuchtkörper, so daß das freigewordene Wolfram zum Leuchtkörper zurückgelangt. Der aus dem Wolframoxyd freigewordene Sauerstoff kann jedoch den Leuchtkörper auf's neue angreifen und den Leuchtkörper schließlich zerstören. Hier setzt die Neuerung ein, da der in der Lampe vorhandene Kohlenstoff den Sauerstoff bei einer verhältnismäßig hohen Temperatur als Kohlenmonoxyd bindet.

Vor fast vierzig Jahrenwurde schon vorgesehlagen, in gewöhnlichen Glühlampen Wasserdampf durch auf dem Leuchtkörper angebrachten Kohlenstoff zu binden. In den heute gebräuchlichen Lampen ist die Anwesenheit von Kohlenstoff auf dem Leuchtkörper jedoch äußerst schädlich, da bei den heute üblichen wesentlich höheren Leuchtkörper-Temperaturen Wolfram und Kohlenstoff sofort miteinander reagieren, wobei der Leuchtkörper seine Formbeständigkeit verliert, jdurchhängt und die Lampe unbrauchbar wird. Der Kohlenstoff muß daher auf die Leuchtkörperenden beschränkt bleiben, die im Betrieb eine wesentlich niedrigere Temperatur haben, wenn das Durchhängen des Leuchtkörpers vermieden werden soll. Bei den früheren Lampen lag die Betriebstemperatur des Leuchtkörpers in einem Bereich

-5-von etwa 2300 bis 2450 K, wobei Lichtausbeuten von 9 bis 10 Lumen pro Watt erzielt wurden. Im Gegensatz dazu liegen die Betriebstemperaturen der Leuchtkörper in modernen Jod-Glühlampen über 2500 K "und betragen beispielsweise 285O K oder noch mehr, wobei Lichtausbeuten von 21 bis 22 Lumen pro Watt erzielt werden.

Es war daher nicht voraussehbar, daß Kohlenstoff in Jod-Glühlampen als Sauerstoffgetiter dienen könnte. Es gab keinen Grund zu der Annahme, daß sich eine Kohlenstoff-Sauerstoff-Verbindung bevorzugt vor dem Wasser-Kreislauf bilden würde, auf den die Verwendung von Kohlenstoff bisher beschränkt war. Es war auch nicht vorauszusehen, in welcher Weise Kohlenstoff mit molekularem oder atomarem Jod reagieren würde. Es war die Bildung von CJ. in Betracht zu ziehen, das den Kohlenstoff zum Leuchtkörper transportieren und diesen zerstören könnte. Die Bildung von CJ^ hätte auch den Wolfram-Jod-Kreislauf stören können.

Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Neuerung.

Figur 1 ist die Seitenansicht einer gasgefüllten Glühlampe mit Jodzusatz und

Figur 2 ein Querschnitt an der Linie 2-2 in Figur 1.

Die dargestellte Lampe hat ein rohrförmiges Gefäß 1 aus lichtdurchlässigem Material wie Glas, Quarz, Aluminiumoxyd o.a., das beiderseits in flachen Quetschfüßen 2 endet, in welche die Stromzuführungen luftdicht eingeschmolzen sind. Bei einem Quarzgefäß 1 bestehen die Stromzuführungen aus je einem äußeren Abschnitt J5 aus Molybdän-Draht, einem mittleren Abschnitt 4 aus dünner Molybdän-Folie und einem inneren Abschnitt 5 vorzugsweise aus Wolfram. In der Rohrachse erstreckt sich der Wendelleuchtkörper 6 aus Wolfram-Draht, dessenEnden mit den inneren Abschnitten 5 der Stromzuführungen verbunden sind. Der Leuchtkörper 6 ist mit Hilfe von Wolframdrahtspiralen J gegen das Gefäßrohr abgestützt. Die Gasfüllung besteht aus inertem Gas, z.B. Argon. Der Gasdruckkann 6OO bis jJO.000 mm Hg oder noch mehr betragen. Ferner ist ein Jodzusatz, vorzugsweise zwischen 0,01 und 1 /a Mol pro ecm Gefäßvolumen, vorhanden, der im Betrieb der Lampe vollständig verdampft. Der Jod-Kreislauf ist auch bei höherer Jodkonzentration möglich.

Auf einigen der Wolframdrahtspiralen 7 befindet sich, wie in Figur 2 zu erkennen, eine kleine Menge festen Kohlenstoffes 8. Der Kohlenstoff 8 wird auf den Drahtstützen 7 angebracht, bevor die Leuchtkörperwendel 6 mit den auf ihr befestigten Drahtstützen 7 in das Lampengefäß 1 eingeführt wird, und zwar in der Form von Aquadag, also im wesentlichen einer zähflüssigen Suspension von sehr feinen Teilchen kolloidalen Graphits in Wasser. Die nötige. Menge, die von der Lampengröße und dem Herstellungsverfahren abhängt, wird am besten durch Versuch ermittelt. Es hat keine schädlichen Folgen, wenn die Kohlenstoffmenge reichlich bemessen wird.

Die in Figur 1 dargestellte Lampe hat eine Leistungsaufnahme von I5OO W; das Quarzgefäß 1 hat einen lichten Durchmesser von etwa 7>75 rom und eine lichte Rohrlänge von etwa 210 mm. Fünf der acht Drahtstützen 7 sind mit einem Aquadag-Überzug 8 in einem Abstand von 3 rom vom Leuchtkörper 6 versehen. Der Überzug 8 erstreckt sich in 2 mm Länge über den halben Stützdraht-Umfang und ist 25/U dick. Bei dieser Anordnung eneicht der Kohlenstoff eine Temperatur von 1000 C, bei der er mit Sauerstoff und Wasserdampf chemisch reagiert und Kohlenmonoxyd bildet. Die Kohlenstoffmenge beträgt je Stütze Ό,02 mg; in der Lampe sind also insgesamt 0,10 mg Kohlenstoff vorhanden.

In einer Lampe mit nur 500 W Leistungsaufnahme von gleichem Rohrdurchmesser, jedoch mit nur 75 bis 85 mm lichter Rohrlänge sind nur zwei Drahtstützen J erforderlieh. Der Aquadag-Überzug 8 wird in gleicher Menge von o,02 mg Kohlenstoff und in der gleichen Anordnung entweder nur auf einer Stütze J oder auf jeder der beiden Stützen 7 angebracht. Im letzten Fall, der vorzuziehen ist, beträgt die gesarate in der Lampe vorhandene Kohlenstoffmenge dann 0,04 rag.

Von der Anbringung des Kohlenstoffes abgesehen, wird die Lampe wie üblich hergestellt. Bevor die Leuchtkörperwendel 6 in das Lampengefäß 1 eingeführt wird, wird sie noch mit dem Molybdänkerndraht, auf dem sie gewickelt wurde, in einem Wasserstoff of en geglüht, wobei sie entgast wird und ihre Formbeständigkeit erhält. Nach dem Herauslösen des Kerndrahtes werden die Drahtstützen 7 und die Strorazuführungen 3, 4 und 5 angebracht; der Kohlenstoff wird auf die Drahtstützen 7 auf-

gebracht, und das'gesarate Gestell wird in das Gefäßrohr eingeführt und eingeschmolzen. Sodann wird die Lampe durch ein Pumpröhrchen entlüftet, dessen abgeschmolzener Ansatz 9 in Figur 1 erkennbar ist. Durch das Pumpröhrchen wird die Lampe mit einem inerten Gas, wie Argon, gespült und sodann ausgeheizt. Es ist empfehlenswert, das Entlüften und Spülen noch einmal zu wiederholen. Dann erfolgt die Füllung mit Argon und trockenem Joddampf, und schließlich wird das Pumpröhrehen bei 9 abgeschmolzen. Dann wird der Leuchtkörper an die vorgesehene Betriebsspannung gelegt, so daß der Kohlenstoff mit dem restlichen Sauerstoff und Wasserdampf in der Lampe reagieren kann und sich unschädliches Kohlenmonoxyd bildet und gegebenenfalls etwas Wasserstoff frei wird, der vom Jod als Jodwasserstoff gebunden wird.

Die Wirksamkeit des Kohlenstoffes ist augenfällig, da aus einer Gruppe Von ohne Kohlenstoff hergestellten Lampen ]55$ infolge Wasser- oder Sauerstoff-Kreislaufes ausfielen, während eine entsprechende Lampengruppe mit Kohlenstoff nur einen Ausschuß von Λ% aufwies.

-Schutzansprüche-

Claims (6)

PA 597199*17.9.62'! Schutzansprüche

1. Gasgefüllte elektrische Glühlampe oder Hochdruekglühlarape mit einem Wolframleuchtkörper in einem abgeschlossenen, lichtdurchlassigenLampengefäß, das vorzugsweise aus Quarz besteht und einem Jodzusatz zur Gasfüllung, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Innern des Lampengefäßes Kohlenstoff an wenigstens einer solchen Stelle im Abstand vom Leuchtkörper oder an seinen verhältnismäßig kühleren Enden befindet, daß der Kohlenstoff unter Betriebsbedingungen genügend heiß wird, um mit Sauerstoff und Wasserdampf chemisch zu reagieren.

2. Elektrische Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Kohlenstoff an einer solchen Stelle befindet, daß er unter Betriebsbedingungen auf etwa 1000°C erhitzt wird.

3· Mit Edelgas gefüllte elektrische Glühlampe nach Anspruch 1 und 2,mit einem rohrförmigen Gefäß," einem Drahtwendel-LeuchtkÖrper aus Wolfram, dessen Achse etwa in der Gefäßrohrachse liegt, und wenigstens einem den Leuchtkörper gegen das Gefäßrohr abstützenden Drahthalter aus Wolfram, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoff auf wenigstens einem Drahthalter in der Nähe des Leuchtkörpers angebracht ist.

4. Elektrische Glühlampe mit einer Leistungsaufnahme von I5OO W, einem rohrförmigen Gefäß von 210 mm lichter Rohrlänge und 7*75 nun lichten». Rohrdurehmesser und mit acht Drahtstützen für den sich in der Rohrachse erstreckenden Wendel-Leuchtkörper, nach Anspruch 1 bis ~5, dadurch gekennzeichnet, daß fünf der Drahtstützen an einer J5 mm vom Leuchtkörper entfernten, sich über den halben Stützdraht-Umfang in 2 mm Länge erstreckenden Stelle eine 25 M dicke Schicht von festem Kohlenstoff tragen.

5· Elektrische Glühlampe mit einer Leistungsaufnahme von 5OO W, einejsi rohrförmigen Gefäß von 75 bis 85 πηπ lichter Rohrlänge und 7>75 nun lichtem Rohrdurehmesser und mit zwei Drahtstützen für den sich in der Rohrachse erstreckenden Wendel-

V-

Leuchtkö'rper, nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigsten» eine der beiden Drahtstützen an einer 3 mm vom Leuchtkörper entfernten, sich über den halben Stützdrahtumfang in2 mm Länge erstreckenden Stelle eine 25 M dicke Schicht von festem Kohlenstoff trägt.

6. Elektrische Glühlampe nach Anspruch 4 oder 5> dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffmenge je Stütze 0,02 mg beträgt.